En el ámbito de la ciencia de los materiales, los metamateriales electromagnéticos (EM) han surgido como una clase revolucionaria de compuestos diseñados capaces de manipular ondas electromagnéticas de formas nunca antes posibles. A diferencia de sus homólogos naturales, los metamateriales EM derivan sus extraordinarias propiedades de sus disposiciones estructurales únicas, lo que les permite exhibir características electromagnéticas inalcanzables en materiales convencionales.
Una de las características más fascinantes de los metamateriales EM reside en el ámbito de los metamateriales de índice cero (ZIM). Los ZIM poseen la notable capacidad de lograr una distribución uniforme del campo electromagnético en formas arbitrarias (Figura 1a). Esta propiedad única abre muchas aplicaciones potenciales, desde dispositivos de camuflaje ultracompactos hasta guías de onda y lentes de formas arbitrarias y láseres emisores de superficie de cristal fotónico (Figura 1b).
A pesar de su inmenso potencial, las ZIM se han enfrentado a un obstáculo importante en su implementación práctica. La homogeneidad de los ZIM a menudo está limitada por el número de celdas unitarias por longitud de onda en el espacio libre. Esta limitación surge de la propiedad de bajas permitividades de los materiales utilizados para construir ZIM. Como resultado, los ZIM a menudo requieren un gran espacio físico para lograr sus propiedades electromagnéticas efectivas (Figura 2b).
Los investigadores han superado este desafío de larga data en un estudio publicado en eLight desarrollando un ZIM altamente homogéneo utilizando una novedosa combinación de materiales de alta permitividad.
Como se muestra en la Figura 3a, empleando SrTiO3 pilares cerámicos empotrados en BaTiO3 matriz de antecedentes, han fabricado con éxito un ZIM con un aumento de más del triple en el nivel de homogeneización (Figuras 2b y 2e), reduciendo significativamente sus dimensiones físicas.
Basándose en la distribución uniforme de la fase del campo electromagnético en todo el ZIM, los investigadores han demostrado una antena de alta directividad. Al incorporar ZIM en una guía de ondas metálica (Figura 4a), esta antena se ha acercado a la limitación fundamental de la directividad en la antena, ya que el tamaño de apertura varía desde un régimen de sublongitud de onda hasta una escala muy grande (Figura 4c).
Este avance allana el camino para una nueva era de dispositivos basados en ZIM, que ofrecen un rendimiento y una compacidad sin precedentes. El logro de los investigadores tiene profundas implicaciones para una amplia gama de campos, incluidas las comunicaciones inalámbricas, la teledetección y los sistemas de posicionamiento global. Además, su trabajo abre nuevas posibilidades para la investigación fundamental en guías de ondas ultracompactas, dispositivos de camuflaje y computación cuántica superconductora.
Más información: Yueyang Liu et al, Las cerámicas de alta permitividad permitieron metamateriales de índice cero altamente homogéneos para antenas de alta directividad y más, eLight (2024). DOI:10.1186/s43593-023-00059-x
Información de la revista: eLight
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